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Verifikation, Design-in und Zulassung

Kenngrößen am Schaltnetzteil

7. Oktober 2019, 14:23 Uhr | Von Heidrun Seelen (Vertriebsleitung) und Frank Cubasch (Geschäftsführer), beide bei Magic Power

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Überstrombegrenzung

Nahezu jedes Schaltnetzteil besitzt eine elektronische Absicherung gegen Kurzschluss beziehungsweise Überstrom, auch OCP (Over-Current-Protection) genannt. Typischerweise liegen die Abschaltströme im Bereich von etwa 120 bis 130 Prozent des maximalen Ausgangsstromes. Verglichen mit einem Transformator (weiche Abschalt-U/I-Kennlinie) hält das Schaltnetzteil die Spannung konstant und schaltet erst bei Erreichen des OCP schlagartig ab.

Hierdurch werden unter anderem die angeschlossenen Komponenten und Leitungen besser geschützt, weil der maximale Strom durch den OCP-Setpoint gegeben ist. Meist nutzen Schaltnetzteile eine Fold-Back-Kennlinie und laufen nach dem Abschalten selbstständig wieder an, sofern die Last auf unterhalb des OCP-Limits reduziert wurde. Wichtig zu wissen: Die meisten Schaltnetzteile schalten bei Überstrom schlagartig ab!

Messungen auf der Primärseite

Messungen auf der Primärseite sind in aller Regel komplizierter durchzuführen. Neben der höheren Netzspannung per se entstehen durch die Beschaltung mit einem Gleichrichter und nachfolgendem Siebkondensator nichtlineare Eingangsströme. Diese weisen zudem einen ungewöhnlichen Scheitelfaktor bezogen auf den Spannungsverlauf der Quelle auf (Bild 6). Der Quotient aus Spitzenwert zu Effektivwert (Crest-Faktor) liegt bei Sinusspannungen und ohmscher Last bei 1,41 (√2).

Der eingesetzte Siebelko übernimmt maßgeblich zwei Funktionen. Zum einen ist er für die Glättung der Eingangsspannung für die nachgeschaltete Pulsweitenmodulation (PWM) zuständig. Zum anderen ist er der Puffer bei Netzunterbrechungen. Die Ladespannung orientiert sich am Scheitelwert. Dadurch erreicht der Stromflusswinkel nur kleine Werte. Hier in Bild 6 sind dies pro Halbwelle nur 2 ms, also entsprechend nur 35 bis 40°.

Dadurch wird der Spitzenwert des Stromes im Vergleich zur sinusförmgen Stromentnahme (Bild 7) sehr hoch. Damit die Versorgungsnetze nicht zu stark mit Blindleistung belastet werden, ist eine Limitierung unter anderem nach IEC 61000-3-2 vorgeschrieben. Vereinfachend wird in diesem Zusammenhang oft von Phasenverschiebung gesprochen, wobei dies den Sachverhalt nicht genau beschreibt.

Gemäß der Norm werden bis zu 40 Oberwellen gemessen. Je nach Art des Endprodukts sind unterschiedliche Limits definiert (Klasse A bis D, s. Tabelle 1), die entweder einen Absolutwert des Stroms für jede Oberwelle vorgeben oder sich prozentual auf die reale Ist-Eingangsleistung beziehen. Entsprechend der jeweiligen Eingruppierung in eine Klasse werden entweder alle Oberwellen berücksichtigt (A und B) oder nur ungeradzahlige Oberwellen (C und D). Geprüft werden müssen Produkte mit einer Betriebsspannung von 230 V AC, einem Strom von maximal 16 A und mit Anschluss an das öffentliche Versorgungsnetz.

Außerdem müssen sie im Eingangsleistungsbereich von 75 bis 1000 W (Klasse D: 600 W) arbeiten. Es wird empfohlen, genau zu prüfen, ob die Vorschrift im jeweiligen Fall zum Tragen kommt und welche der Klassen (A bis D) anzuziehen ist. Für die Auswahl der Stromversorgung bedeutet dies am Ende wesentliche Unterschiede in Design, Größe und letztendlich auch Kosten.

Für kleinere Leistungen kann man die Limits der Klasse A ohne aktive Korrektur erreichen. Für Klasse D ist in aller Regel eine Korrekturstufe vor dem Sieb-Elko notwendig. Diese auch aktive Power-Factor-Correction (PFC-Stufe) genannte Schaltung setzt die Eingangsspannung auf etwa 380 V DC um und entnimmt dem Netz einen sinusähnlichen Strom, welcher phasengleich zur Versorgungsspannung fließt.

Bei identischer Leistung ist zu erkennen, dass ein Netzteil mit einer PFC der Klasse A einen geringeren Stromflusswinkel mit höherem Spitzenstrom aufweist als ein vergleichbares Netzteil mit aktiver PFC, welches den Strom linear zur Spannung entnimmt. Bei den Bild 6 und Bild 7 ergibt die Betrachtung der harmonischen Oberwellen gemäß IEC 61000-3-2 die Ergebnisse in Bild 8 und Bild 9.